中国が開発した画期的な超鋼材：次世代核融合炉を支える素材

中国の超鋼材：核融合に向けた大きな前進

恒星のエネルギーを解き放つことを目指すなかで、核融合はクリーンで無尽蔵なエネルギーを実現する究極の目標とされている。しかし、原子核を融合させる物理現象が難題である一方、背景には同じほど手ごわい課題が長年横たわっていた。核融合炉内部の極限環境に耐えられる強度を持つ素材の開発だ。2023年、中国の科学者らは、CHSN01（中国高強度低温鋼第1号）の開発と導入という画期的な成果を発表した。特別に設計されたこの合金は、世界初の核融合発電炉の中核を担っている。この成果は材料科学における重要な節目であり、実用的な核融合エネルギーをめぐる世界的な競争を加速させる可能性がある。

核融合炉に超鋼材が必要な理由

核融合炉は、現代の工学技術の限界に挑む条件下で稼働する。炉の中心には強力な超伝導磁石があり、地球の磁場の約40万倍に相当する最大20テスラの磁場を発生させる。磁石は、太陽の中心よりも高温のプラズマを閉じ込めながら、絶対零度に近い温度（-269°Cまで）で作動しなければならない。磁石を取り囲む構造材は、極度の低温、強大な磁気応力、繰り返しかかる機械的負荷が組み合わさった環境にさらされる。

従来の素材は、過酷な環境向けに設計されたものであっても、これほど低温になると脆くなったり、強度が低下したりすることが多い。フランスの国際熱核融合実験炉（ITER）などの核融合プロジェクトでは、長年、316LNステンレス鋼が標準材として使われてきた。極低温でも高い強度と延性を保つよう設計された素材だ。しかし、核融合の構想が進展するにつれて、材料に求められる性能も高まった。将来の炉では、安全性と効率性を確保するため、さらに強い磁場に耐える、より頑丈な素材が必要になる。

CHSN01開発までの10年にわたる道のり

CHSN01の開発は、科学者たちの粘り強さと革新の物語だ。中国の研究者らは、既存の素材では次世代核融合炉の要求を満たせないと判断し、10年以上前に開発に着手した。2011年、中国科学院の研究チームが核融合炉用磁石に使える初の素材を開発したものの、将来の炉に必要な性能には届かなかった。

中国科学院の物理・化学技術研究所の主要研究者である李来豊氏は、現行素材の限界を早くから認識していた。ITERの磁石は11.8テスラ向けに設計されているが、将来の炉ではさらに強い磁場に対応する必要があると同氏は指摘した。また、ITER自体は研究施設であり、発電を目的としていない。一方、中国は実際に稼働する核融合発電所の建設を目指していた。

2017年までに、中国の科学者らは鋼材の組成を調整し、バナジウムを加え、炭素と窒素の含有量を調整することで、強度と靭性の向上を図った。しかし、素材は核融合炉向けに求められる厳しい性能基準をなお満たせなかった。316LNを上回る素材の開発はほぼ不可能だと考える海外の専門家も多く、懐疑的な見方が広がっていた。ある外国人科学者はこう述べた。

この条件下で316LNを上回ることは絶対に不可能だ

転機が訪れたのは2020年だった。低温物理学の第一人者で、中国最高の科学賞を受賞した著名な物理学者、趙忠賢氏がプロジェクトに加わった。趙氏の専門知識と指導力は、重要な局面でプロジェクトの勢いを変え、チームが最後の難関を乗り越える助けとなった。

新たな基準の設定

2021年、中国は核融合炉材料に対して、極低温で降伏強度1,500 MPa（メガパスカル）、伸び率25％超という厳しい新基準を定めた。既存の素材では到底達成できない要件だった。核融合の専門家である李建剛氏は、先進鋼材の開発は核融合エネルギーの将来に不可欠だと強調した。

同年、李来豊氏は国内産の新たな低温鋼材を開発するため、研究機関、企業、溶接の専門家を結集した国家研究連携組織の立ち上げを主導した。その成果がCHSN01であり、まもなく最も過酷な環境で性能を証明することになる素材だ。

CHSN01の特徴

CHSN01は単なるステンレス鋼ではない。核融合炉特有の応力に対応するために設計された、高強度の低温用合金だ。改良型N50ステンレス鋼をベースに開発され、炭素含有量を極めて低く抑え、ニッケル含有量を増やし、酸素含有量を低くした。こうした調整によって、極低温下でも優れた機械的特性を発揮する。

機械試験では、CHSN01が4.2 K（絶対零度をわずかに上回る温度）で1,500 MPaを超える降伏強度を達成し、高い延性と耐疲労性を維持できることが示された。つまり、この鋼材は最大6万回のプラズマパルスに相当する応力サイクルを繰り返し受けても、亀裂が生じたり、完全性が損なわれたりしない。走査型電子顕微鏡とエネルギー分散型分光法による分析では、元素が均一に分布していることが確認され、素材全体で安定した性能が保たれることが示された。

耐疲労性と安全性

核融合炉材料にとって、最も重要な課題の一つが耐疲労性だ。プラズマを加熱する中心ソレノイド（CS）磁石は交流で作動し、応力サイクルを繰り返し受ける。鋼材に欠陥があれば、時間の経過とともに拡大し、重大な故障につながるおそれがある。

この課題に対応するため、研究者らは高度なモデリングと実験試験を用いて、CHSN01製のジャケットに許容される欠陥の最大サイズを調べた。その結果、初期に小さな欠陥があっても、素材は核融合炉の運転要求に安全に耐えられることが示された。こうした信頼性は、核融合発電所の長期的な安全性と効率性に欠かせない。

研究室から炉へ：実用化されるCHSN01

2023年8月、CHSN01は、20テスラの磁場に対応できることや、高い耐疲労性を保ちながら1,300 MPaの応力に耐えられることなど、主要な基準をすべて満たすと確認された。この素材はただちに中国の核融合炉「BEST（突破実験用超伝導トカマク）」に採用された。同炉は2023年5月に組み立てが始まり、2027年の完成が予定されている。

炉の組み立てに使われる6,000トン超の部品のうち、導体ジャケット500トン分に国産のCHSN01鋼材が使われている。ジャケットは、炉の強力な磁場を発生させる超伝導ケーブルを覆い、構造の完全性と運転時の安全性を確保する。

国際協力と競争

CHSN01をめぐる中国の成果は、核融合エネルギー開発に向けた国際的な取り組みの一環だ。フランスのITERや米国のSPARCなどのプロジェクトも、材料科学と工学の限界を押し広げている。一方、中国が独自の国産超鋼材を開発したことは、海外技術への依存を減らし、世界的な核融合開発競争で主導的な立場を築こうとする戦略的な動きを示している。

査読付き学術誌Applied Sciencesに掲載された研究によると、CHSN01製のジャケットはITERで使われている素材の性能を満たすだけでなく、それを上回る。より大きな欠陥を許容でき、安全余裕も大きいという。実用的な核融合発電所の建設に向けて進む中国にとって、大きな優位性となる。

核融合を超えて：CHSN01の将来

CHSN01は核融合炉向けに開発されたが、その独自の特性から、幅広い用途での活用が期待される。高強度、低温下での性能、耐疲労性を兼ね備えており、航空宇宙、極低温技術、先端製造などの分野に役立つ可能性がある。

中国の研究者らはすでに、他の先端技術プロジェクトでCHSN01を利用する可能性を探り始めており、海外の協力機関からも関心が高まっている。世界がよりクリーンで持続可能なエネルギー源へと移行するなか、CHSN01のような素材は新たな技術の実現に重要な役割を果たすだろう。

世界のエネルギーへの影響

実際に稼働する核融合炉でCHSN01が採用されたことは、単なる科学上の節目ではない。実用的な核融合エネルギーの実現が、多くの専門家が従来考えていたより近づいていることを示すものだ。核融合は、温室効果ガスを排出せず、放射性廃棄物も最小限に抑えながら、事実上無尽蔵のクリーンエネルギーを供給できると期待されている。中国のBEST炉が目標を達成すれば、世界各地で商用核融合発電所の建設に道を開く可能性がある。

ある海外メディアはこう伝えた。

この先進鋼材の導入は、実用的な核融合エネルギーの実現を目指す世界的な競争における重要な前進とみられている

課題と今後の展望

期待が高まる一方で、大きな課題は依然として残る。核融合炉の建設と運転は極めて複雑な事業であり、先進素材だけでなく、プラズマ物理学、超伝導技術、大規模工学の進展も必要となる。BEST炉は建設中であり、核融合発電が商用化されるまでには、何年にもわたる試験と改良が必要だ。

それでも、CHSN01の開発は大きな前進を意味する。継続的な投資と協力、科学的な創意工夫があれば、最も困難な技術的障壁でさえ乗り越えられることを示している。

要点

• 中国は核融合炉内部の極限環境向けに、画期的な超鋼材CHSN01を開発した。
• CHSN01は極低温でも優れた強度、延性、耐疲労性を発揮し、316LNステンレス鋼など従来の素材を上回る。
• この素材は現在、中国の核融合炉BESTで使われており、実用的な核融合エネルギーをめぐる世界的な競争の重要な節目となっている。
• CHSN01の独自の特性は核融合以外にも応用でき、航空宇宙や極低温技術などの産業に役立つ可能性がある。
• 課題は残るものの、CHSN01の導入成功により、クリーンで無尽蔵な核融合エネルギーの実現に一歩近づいた。